9Ni钢焊接接头的力学性能与失效评定曲线

刘长军，龚伟忠，曾 鑫，徐秀清，刘俊杰，谈建平

(华东理工大学1.承压系统与安全教育部重点实验室，2.机械与动力工程学院，上海 200237；3.中国石油天然气集团公司石油管工程技术研究院，西安 710000)

0 引 言

9Ni钢具有强度高、低温韧性好、热膨胀系数小以及焊接性能优异等优点[1-2]，是深冷设备的理想材料，广泛应用于大型低温液化天然气(LNG)储罐[3-5]。LNG储罐体积庞大，其整体结构中不可避免存在大量被视为薄弱结构的焊接接头，因此在LNG储罐特殊低温(-162 ℃)环境下对焊接接头的力学性能和储罐安全性进行评估至关重要。

9Ni钢焊接接头的力学参数是LNG储罐失效评定曲线建立的数据基础。目前，已经对9Ni钢在LNG储罐低温环境下的力学性能开展了一些研究。王国平等[6]开展了超低碳9Ni钢焊接接头和模拟焊接热影响区低温韧性的研究，发现在多道焊热影响区组织中的马氏体板条间析出了逆转奥氏体，这种组织能提高焊接热影响区的低温韧性。张敏等[7]进行了国产9Ni钢焊接及热处理工艺研究，结果显示国产9Ni钢接头的低温冲击韧性和抗拉强度均满足美国材料试验协会(ASTM)标准要求。朱青松等[8]分别采用手工电弧焊和埋弧焊对9Ni钢板进行焊接，结果显示两种焊接方法的焊接接头都具有高的强度、良好的低温冲击和弯曲性能。然而，基于室温和低温下9Ni钢焊接接头的力学性能数据建立失效评定曲线少有研究。

在失效评定技术方面，基于J积分理论发展起来的失效评定图(FAD)法是国际上公认的方法。应用最为广泛的英国R6标准[9]对含缺陷均质材料构件的安全评价提供了3种选择：R6选择1曲线、R6选择2曲线和R6选择3曲线。R6选择1曲线[10]是一条通用的、起筛选作用的简单而保守的失效评定曲线(FAC)，该曲线与结构形式、材料和外载均无关；R6选择2曲线是AINSWORTH[11]发展的参考应力J积分失效评定曲线，该曲线与结构形式和加载方式无关，仅取决于材料的应力-应变关系曲线，计算简单；R6选择3曲线[12]是一条精确的失效评定曲线，与材料、裂纹几何尺寸和外载均有关，其计算工作量很大，尤其是对三维复杂结构的计算量巨大，在一般的工程中应用是不现实的。早期焊接接头都选择母材与焊缝两者中强度较差一方的材料作为接头材料开展研究，用均质材料缺陷评定方法对含缺陷接头进行安全评价。目前，失效评定技术鲜有在LNG储罐等低温设备上应用，而且通用的R6选择1曲线是否包络9Ni钢及其接头，用强度较弱一方的均一材料对焊接接头进行安全评定是否合适，有待进一步探讨。

作者通过试验测试了9Ni钢焊接接头在室温(20 ℃)和低温(-158 ℃)下的拉伸和断裂性能，对比分析了轧制钢板取样方向对母材以及温度对母材、接头和焊缝性能的影响；基于不同试样的试验数据建立了9Ni钢焊接接头的失效评定曲线并进行了对比分析。

1 试样制备与试验方法

试验用9Ni钢及其焊接接头由西安中国石油天然气集团公司管材研究所提供。9Ni钢板厚度为12 mm，热处理工艺为淬火+回火；焊接方法采用埋弧自动对接焊工艺，焊丝为ERNiCrMo-4，焊剂为Marathon104，焊接方向和轧制方向平行。

分别按照GB/T 228.3-2019和GB/T 228.1-2010，在INSTRON 8801型电液伺服试验机上进行低温(-158 ℃)和室温(20 ℃)拉伸试验，拉伸试样尺寸为φ12 mm×80 mm，标距为40 mm,分别取接头、母材和焊缝试样。母材拉伸试样的取样方向有两种，试样轴线平行于焊缝方向和垂直于焊缝方向；接头拉伸试样的轴线垂直于焊缝方向，焊缝位于试样中心位置；焊缝拉伸试样的轴线平行于焊缝。每一种试样各进行3组平行试验并取平均值。

按照GB/T 21143—2014在INSTRON 8801型电液伺服试验机上进行低温(-158 ℃)和室温(20 ℃)断裂韧性试验，采用紧凑拉伸(CT)试样，具体几何尺寸如图1所示。CT试样分为母材和焊缝试样两种：母材试样的取样方向有两种，预制裂纹分别平行和垂直于焊缝方向；焊缝试样的预制裂纹平行于焊缝。每一种试样各进行3组平行试验并取平均值。

图1 CT试样的形状和尺寸

为了分析9Ni钢母材在室温及低温下拉伸性能的差异，分别在母材室温和低温拉伸断口附近取样，使用JEM-2100型透射电镜(TEM)对其组织进行观察，加速电压为200 kV，放大倍数为40 000倍。

2 试验结果与讨论

2.1 取样方向和温度对拉伸性能的影响

由图2可以看出：室温和低温下9Ni钢焊接接头母材的工程应力-应变曲线形状类似，屈服平台长度相差不大，但低温下母材的断后伸长率明显高于室温；室温和低温下焊接接头和焊缝的工程应力-应变曲线均无屈服平台，但焊缝试样拉伸断裂后的工程应变可以达到一个较高的值，说明焊缝的塑性优异。

图2 不同温度下接头、母材和焊缝试样的工程应力-应变曲线

由表1可以看出：9Ni钢焊接接头母材垂直和平行于焊缝方向的室温屈服强度和抗拉强度相差约0.2%和0.5%，可以认为取样方向对母材室温拉伸性能几乎没有影响；在低温下母材、接头和焊缝的屈服强度和抗拉强度相比于室温都有较大的提高，其中低温下母材的屈服强度和抗拉强度较室温均提升了36%以上。低温下母材强度提高的主要原因在于低温下原子间距减小，吸引力增大，克服势阱需要的外加能量增加，同时温度越低塑性滑移开动越困难[13-14]。此外，无论是室温还是低温，母材、接头和焊缝这三者的抗拉强度均相差不大；而对于屈服强度，母材明显远大于接头和焊缝，且焊缝的屈服强度始终最小。

表1 母材、接头和焊缝试样在不同温度下的拉伸性能

对于一般的材料，随着温度降低，位错的形成更易在局部形成应力集中，导致解理断裂更易发生[15]。而9Ni钢在-158 ℃下未呈现变脆倾向，这与钢中镍含量较高相关；镍可改善材料的低温韧性，降低韧脆转变温度，同时细化晶粒，并且镍的固溶会提高基体交叉滑移能力，减少间隙原子与位错的交互作用[13]。另外，由图3可以看到，室温拉伸后9Ni钢母材试样中的位错主要出现在较软晶粒中，低温下位错开动更均匀，位错量增加。

图3 不同温度下拉伸后9Ni钢母材试样拉伸断口附近的TEM形貌

由图4可以看出，9Ni钢焊接接头试样在低温拉伸时均在焊缝处发生断裂，断口处颈缩现象不显著，室温拉伸时则在母材处发生断裂，断口颈缩现象较显著，并且焊缝处也出现了程度较小的颈缩现象。实际观察发现，焊接接头在室温拉伸过程中，其焊缝金属首先发生颈缩，但颈缩到一定程度时母材开始颈缩直至断裂；其原因在于室温下焊缝金属在经过强化阶段后的强度高于母材(图2)。

图4 焊接接头试样在不同温度下拉伸断裂后的形貌

2.2 取样方向和温度对断裂韧性的影响

由表2可以看出：室温下母材不同取样方向的断裂韧度KJC相差约1.4%，可以认为取样方向对母材断裂韧性几乎没有影响；低温下母材的断裂韧度明显高于室温下，提升约58.7%；焊缝在室温和低温下的断裂韧度几乎相同，且远低于相同温度下的母材，推断在室温和低温环境下焊缝相对于母材更易发生破坏。由拉伸性能及断裂韧性可知，焊缝是9Ni钢接头的薄弱区域。

表2 母材和焊缝试样在不同温度下的断裂韧度

3 9Ni钢焊接接头失效评定曲线的建立与分析

3.1 近似选择2失效评定曲线建立方法

由前文可知，早期针对非均质焊接接头的缺陷评定，都选择以母材与焊缝两者中强度较差一方的材料作为接头材料开展研究，用均质材料缺陷评定方法对含缺陷接头进行安全评价。对于单材料而言，R6标准[9]根据材料拉伸曲线是否有屈服平台给出了近似选择2曲线的建立方法。适用于无屈服平台材料的近似选择2曲线表达式为

(1)

N=0.3(1-σs/σb)

(2)

μ=min[0.001(E/σs),0.6]

(3)

适用于有屈服平台材料的近似选择2曲线表达式为

(4)

λ=1+EΔε/σs

(5)

Δε=0.037 5(1-σs/1 000)

(6)

式中：上标dy表示有屈服平台；Δε为屈服平台长度。

R6选择1曲线与材料、载荷、结构形式均无关，是一种起筛选作用的简单而保守的失效评定曲线。为判断R6选择1曲线是否能对9Ni钢焊接接头进行安全评定，将通用R6选择1曲线也绘入缺陷评定图中进行对比研究。R6选择1曲线的表达式为

(7)

3.2 基于单材料建立焊接接头近似选择2失效评定曲线

由图5可以看出，在整个Lr有效区间内，室温下母材的近似选择2曲线与低温下几乎重合，其包络面积仅略低于低温近似选择2曲线，原因在于室温下母材的屈强比(σs/σb)和低温时非常接近，分别为0.937和0.942。因此，可用母材室温拉伸性能代替低温拉伸性能构建失效评定曲线，对含缺陷结构进行保守评价。另外，在整个Lr有效区间内，室温下焊缝的近似选择2曲线包络面积小于低温下的近似选择2曲线包络面积，故可用焊缝室温拉伸性能代替低温拉伸性能构建失效评定曲线，对含缺陷结构进行保守评价。

图5 基于不同温度下母材和焊缝单材料性能建立的近似选择2曲线

(8)

4 结 论

(1)9Ni钢焊接接头母材在不同方向上的室温强度以及室温和低温断裂韧度几乎相同；低温下母材的强度较室温提升36%以上，断裂韧度提高约58.7%；低温下接头和焊缝的拉伸性能优于室温，焊缝的断裂韧度基本不随温度改变；不同温度下焊缝的屈服强度和断裂韧度均低于母材。焊缝是9Ni钢焊接接头的薄弱区域。

(2)由母材和焊缝室温拉伸性能构建的近似选择2失效评定曲线包络区域面积均略小于由低温拉伸性能构建的近似选择2失效评定曲线，故可用室温拉伸性能构建近似选择2曲线对9Ni钢焊接接头进行评定。